1、第5章 單片機實用開發(fā)步驟,5.1 單片機應用系統(tǒng)設(shè)計的一般流程 5.2 單片機匯編程序的編輯方法 5.3 源程序的編譯 5.4 程序的仿真調(diào)試,單片機應用系統(tǒng)是以單片機為核心，配以相應的外圍電路和軟件，能實現(xiàn)某種功能的應用系統(tǒng)，它由硬件部分和軟件部分組成。硬件是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，軟件則是在硬件的基礎(chǔ)上對其合理的調(diào)配和使用，從而完成應用系統(tǒng)所要完成的任務(wù)。,5.1 單片機應用系統(tǒng)設(shè)計的一般流程,單片機應用系統(tǒng)的研制過程主要包括總體設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、仿真調(diào)試等幾個階段，圖5-1為單片機應用系統(tǒng)設(shè)計過程框圖。單片機應用系統(tǒng)一般要求可靠性好、系統(tǒng)具有自診斷功能、操作維修方便、性能價格比較高。這些要

2、求在進行應用系統(tǒng)設(shè)計的過程中要根據(jù)不同的需要和應用場合予以考慮。,圖5-1 單片機應用系統(tǒng)設(shè)計過程框圖,1. 總體設(shè)計 （1） 總體方案設(shè)計、確定技術(shù)指標對于一個待開發(fā)的單片機應用系統(tǒng)，應收集相關(guān)的技術(shù)資料，查看過去是否有類似項目、產(chǎn)品。如果有，則可分析這些項目、產(chǎn)品有什么優(yōu)點、缺點，有什么值得借鑒。如果沒有，則應首先從理論上分析、探討實現(xiàn)的可能方案，根據(jù)客觀條件如環(huán)境、測試手段、儀器設(shè)備、資金成本等，選擇一種最佳方案。,總體方案確定后，對應用對象的工作過程進行深入調(diào)查和分析，了解課題的要求、信號的種類和數(shù)量、應用環(huán)境等。不管是老產(chǎn)品改造還是新產(chǎn)品的設(shè)計，都應對產(chǎn)品性能改善的程度、成本、可靠性

3、、可維護性及經(jīng)濟效益等進行綜合考慮，提出合理可行的技術(shù)指標。主要技術(shù)指標是系統(tǒng)設(shè)計的依據(jù)和出發(fā)點，此后的整個設(shè)計與開發(fā)過程都要圍繞如何能達到技術(shù)指標的要求來進行。,（2） 具體方案設(shè)計（軟硬件功能劃分）具體方案設(shè)計是將總體設(shè)計方案具體化、細化。畫出各部分功能框圖，大致給出各框圖的實現(xiàn)方法，明確哪些部分由軟件完成，哪些部分由硬件完成。系統(tǒng)的硬件配置和軟件的設(shè)計是緊密地聯(lián)系在一起的，且硬件和軟件具有一定的互換性。多用硬件完成一些功能，可以提高工作速度，減少軟件研制工作量，但增加了硬件成本。若用軟件替代某些硬件的功能，可使硬件成本降低，但增加了軟件的復雜性，而且降低了系統(tǒng)的工作速度。因此，總體設(shè)計時

4、，應綜合考慮以上因素，合理搭配軟硬件的比重。,（3） 機型和器件選擇在選擇機型和器件時應考慮以下幾點。 貨源充足穩(wěn)定，便于批量生產(chǎn)。 在考慮性能/價格比的前提下，選擇最容易實現(xiàn)應用系統(tǒng)技術(shù)指標的機種。 所選機型功能強、性能價格比好、有便于使用的開發(fā)裝置。 要選擇設(shè)計者最熟悉的機種和元器件，以縮短研制周期。 按照系統(tǒng)的精度、速度和可靠性等方面的要求合理選擇包括傳感器、模擬電路、輸入輸出電路和存儲器等器件。,2. 硬件設(shè)計 硬件設(shè)計的任務(wù)是根據(jù)總體設(shè)計要求，確定系統(tǒng)擴展所需的擴展部分和各功能模塊，包括存儲器（EPROM、E2PROM、FLASHROM和RAM）的擴展、I/O電路、A/D、D/A電路

5、以及有關(guān)外圍電路（鍵盤、顯示器、打印機）等，然后設(shè)計出系統(tǒng)的硬件電路原理圖。,（1） 程序存儲器 可作為程序存儲器的芯片有EPROM、E2PROM及FLASHROM等。從性能和價格方面考慮，對于大批量生產(chǎn)已成熟的應用系統(tǒng)宜選用EPROM、FLASHROM。調(diào)試階段以及樣機的研制可選用FLASHROM、E2PROM。,（2） 數(shù)據(jù)存儲器和I/O接口 對于數(shù)據(jù)存儲器的容量需求，各個系統(tǒng)之間差別較大，對于常規(guī)的智能儀器和實時控制系統(tǒng)，MCS-51單片機片內(nèi)RAM已能滿足要求。若需要擴充少量RAM，可以考慮選用RAM/IO擴展芯片8155，不僅擴充了RAM，而且增加輸入輸出接口。對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，往往

6、需要有較大容量的RAM存儲器，這時RAM芯片的選擇原則是盡可能減少芯片的數(shù)量。,在選擇I/O接口電路時，應從體積、價格、功能、負載等方面考慮。標準的可編程接口電路8255、8155接口簡單，使用方便，對總線負載小，可優(yōu)先選用，但對要求口線擴充較少的系統(tǒng)，則可用TTL或CMOS電路，以提高口線的利用率。需要注意的是，CPU的I/O口負載能力有限，擴展以后，不宜滿載，應留有余量，否則會降低系統(tǒng)抗干擾能力。 對于A/D和D/A電路芯片的選擇原則,應根據(jù)系統(tǒng)對它的速度、精度和價格的要求來確定。 外圍模擬電路應根據(jù)系統(tǒng)的要求，在速度、精度和價格等方面選用，同時還應注意它們與傳感器等的匹配問題。,（3）

7、總線驅(qū)動 MCS-51系列單片機的外部擴展空間可達64KB，但擴展總線口（P0、P2）的負載能力有限（P0口為8個LSTTL電路，P2口為4個LSTTL電路）。若負載過重，系統(tǒng)便不能可靠地工作，這時可在P0口增加雙向三態(tài)緩沖器74LS245，在P2口加單向三態(tài)緩沖器74LS244。,3. 軟件設(shè)計 軟件設(shè)計的任務(wù)是在總體設(shè)計和硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上確定程序結(jié)構(gòu)，分配單片機內(nèi)部RAM資源，劃分功能模塊，然后進行主程序和各模塊程序的設(shè)計，最后連接起來成為一個完整的應用程序。軟件設(shè)計的一般步驟如圖5-2所示。,圖5-2 軟件設(shè)計步驟,（1） 系統(tǒng)定義系統(tǒng)定義是在進行軟件設(shè)計前明確軟件承擔的任務(wù)，然后結(jié)合硬

8、件結(jié)構(gòu)進一步確定軟件所承擔任務(wù)的細節(jié)。細節(jié)如下： 定義說明各輸入輸出口的功能，確定信息交換的方式、系統(tǒng)接口方式、占有口地址、讀取和輸出方式等。 在程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器區(qū)域中（注意考慮是否有斷電保護措施）合理分配存儲空間，包括系統(tǒng)主程序、常數(shù)表格、數(shù)據(jù)暫存區(qū)域、堆棧區(qū)域、入口地址等。 對面板、控制開關(guān)、按鍵等輸入量以及顯示、打印等輸出量也必須給予定義，作為編程的依據(jù)。,（2） 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)計出合理的軟件結(jié)構(gòu)是設(shè)計性能優(yōu)良的單片機應用系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)。 常用的程序設(shè)計方法有3種： 模塊化程序設(shè)計；自頂向下逐步求精程序設(shè)計；結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計。MCS-51應用系統(tǒng)的軟件設(shè)計一般采用模塊化程序設(shè)計。為了

9、便于編程和調(diào)試，應先進行軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)系統(tǒng)要求的功能，把軟件分為不同的“模塊”，明確各模塊應完成的功能，以及各模塊之間的關(guān)系，主要是要指定哪些任務(wù)由主程序完成，哪些任務(wù)由中斷服務(wù)程序完成，以便進行模塊化的程序設(shè)計。,模塊化程序設(shè)計是單片機應用系統(tǒng)軟件設(shè)計中最常用的方法。這種設(shè)計方法是把一個完整的程序分成若干個功能相對獨立的較小的程序模塊，各個程序模塊分別進行設(shè)計、編制程序和調(diào)試，最后將調(diào)試好的程序模塊連接起來。 模塊程序設(shè)計的優(yōu)點是： 單個程序模塊設(shè)計和調(diào)試比較方便、容易完成，一個模塊可以被多個任務(wù)共用。,（3） 建立數(shù)學模型根據(jù)問題的定義，描述出各個輸入變量和各個輸出變量之間的數(shù)學關(guān)系，

10、稱為建立數(shù)學模型。數(shù)學模型隨系統(tǒng)任務(wù)的不同而不同。例如在直接數(shù)字控制系統(tǒng)中，可采用數(shù)字(proportional integral and differential controller,比例積分與微分控制器）控制算法或其改進形式；在測量系統(tǒng)中，從模擬輸入通道得到的溫度、流量、壓力等現(xiàn)場信息與該信號對應的實際值往往存在非線性關(guān)系，需要進行非線性補償。,（4） 繪制程序流程圖通常是根據(jù)系統(tǒng)功能及操作過程和軟件的結(jié)構(gòu)，先列出程序的簡單功能流程圖，再對該圖進行擴充和具體化，把簡單功能流程圖中每一部分轉(zhuǎn)變成具體的存儲單元、寄存器和I/O口的操作，從而繪制出詳細的程序流程圖。 （5） 編寫程序在完成流程

11、圖設(shè)計以后，依據(jù)流程圖編寫程序。,（6） 匯編程序編寫完后用開發(fā)系統(tǒng)或仿真器的匯編程序?qū)⑺帉懙挠脩舫绦騾R編成MCS-5l單片機的機器碼。 （7） 在線仿真調(diào)試通過單片機的開發(fā)系統(tǒng)，將所編寫的程序進行在線仿真調(diào)試，完成單片機應用系統(tǒng)的各種功能，完成系統(tǒng)軟件設(shè)計。,4. 聯(lián)機在線仿真調(diào)試、修正軟硬件錯誤 主要包括用戶軟件程序的調(diào)試和目標系統(tǒng)的硬件調(diào)試。 （1） 用戶軟件程序的調(diào)試用戶軟件程序的調(diào)試可分為以下幾個步驟： 建立用戶源程序。 在單片機開發(fā)系統(tǒng)上，對用戶源程序進行編譯，如果編譯有錯誤，則要進行修改，再進行編譯，直至錯誤全部糾正為止。, 動態(tài)在線調(diào)試。用戶程序中分為內(nèi)部服務(wù)程序以及與外部的

12、接口程序。內(nèi)部服務(wù)程序是指與用戶樣機硬件無聯(lián)系的用戶程序，例如計算程序，雖然經(jīng)編譯后已經(jīng)沒有語法錯誤，但可能有邏輯錯誤，必須借助于動態(tài)在線調(diào)試手段，如單步運行、設(shè)置斷點等，發(fā)現(xiàn)邏輯錯誤，然后進行修改。對于外部接口程序，一定要先把硬件故障排除以后，再對用戶程序進行動態(tài)在線調(diào)試，如果有錯誤，則進行修改。在調(diào)試這一類程序時，硬件調(diào)試與軟件調(diào)試是不能完全分開的，許多硬件錯誤是通過對軟件的調(diào)試從而發(fā)現(xiàn)和糾正的。 將調(diào)試完畢的用戶程序通過專用編程器固化在EPROM中。,（2） 用戶樣機硬件調(diào)試 靜態(tài)調(diào)試。對用戶樣機進行調(diào)試，首先要進行靜態(tài)調(diào)試，靜態(tài)調(diào)試的目的是排除明顯的硬件故障。 第一步斷電測量，在樣機加

13、電之前，先用萬用表等工具，根據(jù)硬件電路圖，仔細檢查樣機線路是否連接正確，并核對元器件的型號、規(guī)格和安裝是否符合要求。應特別注意對電源系統(tǒng)的檢查，以防止電源的短路和極性錯誤，并重點檢查系統(tǒng)總線（地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線）是否存在相互之間的短路或與其他信號線的短路。,第二步加電后檢查各插件上引腳的電位，仔細測量各點電平是否正常、尤其應注意8051插座的各點電位。 第三步是在斷電情況下，除CPU外，插上所有的元器件，并把仿真器的仿真插頭插入樣機上的CPU插座，準備聯(lián)機仿真調(diào)試。, 聯(lián)機仿真、在線動態(tài)調(diào)試。在靜態(tài)調(diào)試中，僅對目標樣機硬件進行了初步調(diào)試，只是排除了一些明顯的靜態(tài)故障，而樣機中的硬件故

14、障（如各部件內(nèi)部存在的故障和部件之間連接的邏輯錯誤）主要是靠聯(lián)機仿真排除的。分別打開樣機和仿真器電源后，便可開始聯(lián)機仿真調(diào)試，排除硬件的故障。 上面已經(jīng)談到，硬件調(diào)試和軟件調(diào)試是不能完全分開的，許多硬件錯誤是在軟件調(diào)試中發(fā)現(xiàn)和被糾正的。因此，在上面介紹的軟件在線調(diào)試中，也包括聯(lián)機仿真、硬件在線動態(tài)調(diào)試以及硬件故障的排除。,5. 程序固化，系統(tǒng)獨立運行 至此可將用戶程序固化在程序存儲器中，然后將程序存儲器插入目標樣機系統(tǒng)中，目標樣機系統(tǒng)可獨立運行。目標樣機系統(tǒng)獨立運行一段時間無故障后，可認為整個設(shè)計開發(fā)過程結(jié)束。,單片機的程序設(shè)計可以使用機器語言、單片機匯編語言和高級語言三種編程語言。機器語言是

15、CPU惟一能夠識別的語言，其他語言必須通過編譯后形成機器碼供CPU識別；匯編語言是單片機系統(tǒng)設(shè)計中最常用的程序設(shè)計語言；高級語言通用性好，只要單片機開發(fā)系統(tǒng)具有編譯的能力，就可以直接用高級語言編寫程序。MCS-51系列單片機的編譯型高級語言有： PL/M51、C-51、MBASIC-51等。,5.2 單片機匯編程序的編輯方法,可以使用單片機仿真器提供的軟件包中的編輯器來編寫單片機程序，也可以使用PC的編輯程序編寫程序，例如PC上的EDIT、PE等編輯軟件。然后利用開發(fā)系統(tǒng)提供的匯編或編譯系統(tǒng)，將源程序編譯成可在目標機上直接運行的目標程序。該目標程序可通過PC的串行通信接口直接傳送到開發(fā)系統(tǒng)的R

16、AM中。本節(jié)主要介紹利用單片機仿真器進行51匯編語言程序的編輯方法。,單片機應用系統(tǒng)本身并無自開發(fā)能力，需要借助于開發(fā)工具進行軟件編輯、匯編和調(diào)試。目前國內(nèi)用于MCS-51型單片機的開發(fā)系統(tǒng)很多，偉福E2000系列仿真器屬于新型的專用開發(fā)系統(tǒng)，本節(jié)內(nèi)容是結(jié)合其軟件包，對匯編程序的編輯等進行說明。,5.2.1 偉福仿真器軟件包,源程序的編輯可以在開發(fā)系統(tǒng)的軟件包中進行。下面以一個延時程序為例介紹如何在偉福E2000仿真器的軟件包中進行源程序的編輯。 （1） 單擊WINDOWS界面的開始|程序|WAVE for WINDOWS|wave，進入偉福軟件模擬器選擇界面，單擊好進入編輯器管理窗口。如圖5

17、-3所示。,5.2.2 匯編源程序的編輯方法,圖5-3 程序編輯器管理窗口,（2） 單擊文件|新建文件或工具欄的新建文件圖標，進入程序編輯器，編輯器自動為程序取名為“NONAME1”。 （3） 在編輯器中輸入并修改程序，注意,字符可以大寫或小寫，符號和特殊字符必須為英文狀態(tài)。 （4） 編輯完成后單擊文件|保存文件或文件|另存文件或工具欄的保存文件圖標，出現(xiàn)保存對話框或另存對話框，輸入文件名TIME1.ASM后，單擊保存按鈕，完成匯編源文件的保存。如圖5-4所示。,圖5-4 存儲窗口,由于單片機只能執(zhí)行機器語言的程序（目標程序），因此設(shè)計者將自己的源程序編寫好并以擴展名ASM保存之后，應將源程序

18、編譯成目標程序。在編譯過程中，能夠檢驗程序的正確性，并能發(fā)現(xiàn)源程序中的語法錯誤和一般性的邏輯錯誤，但不能檢查結(jié)構(gòu)上的錯誤。如果有錯誤，匯編程序會報告，指出錯誤位置及錯誤類型。程序錯誤被糾正后，要重新進行編譯調(diào)試，直至程序匯編無誤為止。,5.3 源程序的編譯,下面以前面編輯過的程序TIME1.ASM為例說明匯編的過程： （1） 打開已編輯好的源程序TIME1.ASM。 （2） 單擊 項目|編譯或按F9鍵或工具欄的編譯按鈕，如圖5-5所示。,圖5-5 編譯窗口,（3） 編譯器開始對源程序進行編譯，如果源程序有錯誤，那么當編譯到錯誤處時，編譯會中止并出現(xiàn)提示信息窗口，提示出現(xiàn)錯誤并報告錯誤類型和錯誤

19、出現(xiàn)的位置，如圖5-6所示。第一行出現(xiàn)錯誤并報告錯誤類型為331： 操作數(shù)錯。原因就是操作數(shù)的“#”使用的是中文格式的“#”?？梢灾苯拥骄庉嫶翱谛薷腻e誤，也可以在信息窗口雙擊錯誤提示行，自動轉(zhuǎn)到錯誤程序行處進行修改（這對于較長的源程序相當有用）。,圖5-6 提示信息窗口,（4） 將所有符號和特殊字符錯誤修改完畢后，再重新進行編譯，結(jié)果如圖5-7所示。發(fā)現(xiàn)又出現(xiàn)了錯誤，第7行出現(xiàn)錯誤353：符號未定義。原因是被調(diào)用的子程序DELAY1不存在，將子程序補上或去掉對子程序DELAY1的調(diào)用后再進行編譯。這時由于源程序沒有錯誤，將不會出現(xiàn)信息框，編譯通過并產(chǎn)生一個擴展名為.HEX和一個擴展名為.LST

20、的文件，并自動與源文件放在同一個目錄下。.HEX文件為目標程序文件，可以在調(diào)試后寫入程序存儲器，.LST文件為列表文件，將原文件與對應的目標文件組合在一起，以備查驗。,圖5-7 信息窗口,對源程序編譯形成目標程序，只是排除了語法錯誤和一般性的邏輯錯誤，只有將目標程序應用到目標樣機中，經(jīng)過仿真調(diào)試滿足功能要求才能最后寫到程序存儲器中。仿真調(diào)試是對程序功能是否能實現(xiàn)所做的最后檢查。,5.4 程序的仿真調(diào)試,對于模塊結(jié)構(gòu)程序，要逐個模塊分別調(diào)試。調(diào)試模塊時，一定要符合現(xiàn)場環(huán)境，即符合入口條件和出口條件。調(diào)試的手段可采用單步運行方式和斷點運行方式，通過檢查用戶系統(tǒng)CPU內(nèi)部資源狀態(tài)、RAM的內(nèi)容和I/

21、O口的狀態(tài)，檢查程序執(zhí)行結(jié)果是否符合設(shè)計要求。,5.4.1 仿真調(diào)試的一般步驟,通過檢查，可以發(fā)現(xiàn)程序中的死循環(huán)錯誤、轉(zhuǎn)移地址錯誤、用戶系統(tǒng)中的硬件故障、軟件算法及硬件設(shè)計的錯誤。在調(diào)試過程中不斷調(diào)整用戶系統(tǒng)的軟件和硬件，逐步通過各個程序模塊。各程序模塊通過后，可以把有關(guān)的功能模塊聯(lián)合起來一起進行整體程序的綜合調(diào)試。若在這階段發(fā)生故障，可以考慮各子程序在運行時是否破壞現(xiàn)場、緩沖單元是否發(fā)生沖突、標志位的建立和清除在設(shè)計上是否有失誤、堆棧區(qū)域是否有溢出、輸入設(shè)備的狀態(tài)是否正常，等等。,單步和斷點調(diào)試后，還應進行程序連續(xù)運行調(diào)試。這是因為單步運行只能檢驗程序的正確與否，而不能確定定時精度和CPU的

22、實時響應等問題。待全部調(diào)試完成后，應反復運行多次。此時，除了觀察穩(wěn)定性外，還要觀察用戶系統(tǒng)的操作是否符合原始設(shè)計要求以及安排的用戶操作是否合理等，必要時還要作適當修正。,實時多任務(wù)控制系統(tǒng)的調(diào)試方法與上述方法有很多相似之處，只是實時多任務(wù)控制系統(tǒng)的應用程序是由若干個任務(wù)程序組成，一般是逐個任務(wù)進行調(diào)試。在調(diào)試某一個任務(wù)時，同時也調(diào)試相關(guān)的子程序、中斷服務(wù)程序和一些操作系統(tǒng)的程序。逐個任務(wù)調(diào)試好以后，再使各個任務(wù)同時運行。如果控制系統(tǒng)中沒有錯誤，一般情況下系統(tǒng)就能正常運轉(zhuǎn)。,偉福仿真器提供兩種仿真調(diào)試手段： 一是軟件模擬仿真，即不需要仿真器而只通過軟件包對程序進行模擬仿真調(diào)試；二是硬件仿真，即通

23、過仿真器直接對目標樣機進行硬件、程序進行仿真調(diào)試。對程序進行仿真調(diào)試時，這兩種方法的使用是一樣的。下面以利用例6-9將“F”和“E”轉(zhuǎn)換為ASCII碼并存放在內(nèi)部RAM的25H、26H的程序為例，說明仿真調(diào)試的一般步驟： （1） 編寫程序并以TRANS1.ASM保存。 （2） 匯編、修改直至匯編無誤后如圖5-8所示，這時可直接進行仿真調(diào)試。,圖5-8 正確編譯結(jié)果,（3） 也可以單擊文件|調(diào)入目標文件將目標程序加載到軟件包，這時就可以進行模擬仿真調(diào)試了。從圖5-9可以看出，進行仿真調(diào)試時，在狀態(tài)欄中可觀察PC、DPTR、A、PSW、SP中的值的變化，還可觀察執(zhí)行至當前指令所用的時間。 （4）

24、利用單步或跟蹤逐條執(zhí)行程序，并觀察內(nèi)部RAM、各寄存器、定時器以及外部口線的狀態(tài)值是否正確。觀察狀態(tài)可以利用狀態(tài)欄的顯示、CPU窗口顯示或數(shù)據(jù)窗口的顯示進行，如圖5-9所示。在CPU窗口或程序窗口中的任意一行中單擊鼠標左鍵，則立即顯示出該行程序中操作數(shù)的地址和內(nèi)容或程序轉(zhuǎn)移的地址。,圖5-9 加載窗口,（5） 設(shè)置一系列斷點，然后運行程序，看程序能否正常地運行至斷點處，同時觀察RAM、各寄存器、定時器和外部口線的狀態(tài)是否正確。斷點一般設(shè)置在跳轉(zhuǎn)指令、跳轉(zhuǎn)目的處指令、子程序入口、返回指令以及對程序的運行有重要影響的指令處。斷點的設(shè)置情況如圖5-10所示。,圖5-10 斷點設(shè)置,（6） 在上面步驟完畢后，單擊執(zhí)行|全速執(zhí)行，全速運行程序以觀察定時器和計數(shù)器的工作是否符合要求。,現(xiàn)對偉福仿真器軟件包的仿真命令說明如下： 在模擬軟件仿真器窗口中單擊執(zhí)行按鈕，出現(xiàn)如圖5-11所示的下拉菜單。在菜單中單擊相應選項則執(zhí)行相應的操作。,5.4.2 仿真調(diào)試的一般命令,圖5-11 執(zhí)行菜單,各操作項目的含義